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CÁLCULO DE LAS JUNTAS SOLDADAS A TOPE Y DE FILETE.
1. JUNTAS SOLDADAS A TOPE
En la figura siguiente se presenta una junta a tope típica con ranura en
V cargada longitudinalmente con la fuerza F.
l = Long. del cordón
h = altura de la garganta
1.1. Resistencia de la Soldadura a tracción o compresión
Para resistir este tipo de carga la tensión normal media vale:
Nota:
- h no incluye el espesor del refuerzo. Este refuerzo sirve para compensar las
grietas o huecos de la junta.
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- Para que la soldadura resista mejor a la fatiga, en la práctica lo que se hace
es esmerilar (amolar) el refuerzo pues en el punto A se origina concentración
de tensiones.
La tensión de trabajo (σ) deberá ser menor que la tensión del material
(σmat) de la soldadura más solicitada, multiplicada por 0,6
Por ejemplo la tensión a tracción del acero dulce σ acero dulce= 1260
kg/cm2 (AWS).
1.2. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos de corte
Caso 1
Perímetro soldado:
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Caso 2
Planchuelas unidas por un extremo con toda la sección soldada:
1.3. Resistencia de la Soldadura a flexión
Sea el caso de un perfil que soporta cargas normales a su eje longitudinal
h = altura del cordón
lp= longitud del perímetro soldado
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Para el caso que la soldadura coincida con el momento flector máximo
(esfuerzo cortante nulo, T=0) se debe verificar
W = módulo resistente de la sección soldada que en las soldaduras a tope
es la sección de la planchuela.
1.4. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos compuestos de flexión y
corte.
En este caso la soldadura no coincide con la zona de máximo
momento flector, por lo tanto se debe verificar:
Para el caso 1
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2. JUNTAS DE FILETE
La práctica común en el diseño de la soldadura es despreciar el
esfuerzo normal y basar el tamaño de la junta, en la intensidad del esfuerzo
cortante medio. En el área de la garganta de la soldadura a 45º de los
catetos. Esta es la mínima área del cordón por donde tiene que fallar a corte
(Planos de corte de la soldadura en la garganta).
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En la figura anterior se observa que en la soldadura a filete con
cordones alineados paralelos a la carga, el esfuerzo cortante ocurre a lo
largo de la garganta, paralelo a la dirección de la carga. En cambio en la
soldadura alineada en forma transversal a la carga, el esfuerzo cortante
ocurre a 45º, actuando en forma perpendicular al eje del filete.
2.1. Carga paralela y transversal
h = Longitud de la garganta de la soldadura = hc sen(45º)
hc = Longitud del cateto de la soldadura
Lw = Longitud del cordón de la soldadura
2.2. Carga de torsión
Ejemplo:
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Sea la figura que presenta un voladizo, unido a una columna
por dos cordones de soldadura.
Para este grupo de soldaduras (en este caso 2) el esfuerzo de
corte resultante que actúa es la suma vectorial de los esfuerzos de
corte directo y de corte por torsión.
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Cordones de la figura inferior derecha
2.2.1. Cálculo del área A:
b1 = Longitud de la garganta de la soldadura = 0,707 hc1
d1 = Longitud del cateto de la soldadura.
d2 = Longitud de la garganta de la soldadura = 0,707 hc2
b2 = Longitud del cateto de la soldadura.∴El área de garganta en las 2 juntas es:
2.2.2. Cálculo de la distancia r y ubicación del baricentro G:
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2.2.3. Cálculo del momento de inercia polar del grupo de juntas (J) respecto
al baricentro (G)
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2.2.4. Momento actuante
Este momento debe calcularse respecto de G y vale:
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Ahora, a los fines prácticos y para sistematizar el cálculo de la junta,
conviene considerar a cada cordón o filete como una simple recta, es decir
considerar el ancho de la junta igual a la unidad.
De esta manera se obtendrá un momento de inercia polar unitario del
grupo de juntas (Ju), el cual es independiente del tamaño de la junta (hC).
Así la relación queda:
Donde Ju se determina como se vio anteriormente, pero para un área
de ancho igual a la unidad.
Entonces para los cálculos se utilizan unas tablas que contienen las
áreas de garganta unitarias (A), los momentos de inercia de área polares
unitarios (Ju) y los momentos resistentes unitarios (Iu) para las uniones de
filete más comunes.
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2.3. Carga de flexión
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Sea la siguiente figura donde las juntas están sometidas a una fuerza
de corte V y a un momento M, ambos generados por la fuerza F.
La fuerza de corte V debida a F produce esfuerzo de corte
puro y vale:
Donde A es el área total de las gargantas.
El momento M produce un esfuerzo normal (σ) por flexión en las
juntas, que es perpendicular al área de la garganta, y en la práctica se lo
suele suponer de igual magnitud que el esfuerzo cortante τ.
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El valor de estos esfuerzos es:
Donde C es la distancia desde el eje neutro hasta la fibra exterior.
J es el momento de inercia de la garganta de la junta [m4].
I es el momento resistente de la garganta de la junta [m3]
El valor de I se calcula como:
Iu es el momento resistente unitario [m2].
Este momento:
Con lo cual tenemos:
Finalmente una vez conocidos σ y τ se pueden determinar los
esfuerzos cortantes máximos o los esfuerzos principales. Una vez que se
obtienen esos esfuerzos principales se aplica una teoría de falla apropiada
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para determinar la probabilidad de falla o la seguridad (estas teorías son las
del esfuerzo cortante máximo o la teoría de la energía de distorsión).